Hippocampus: gefaltete Rinde für Erinnerung und räumliche Zusammenhänge

Lage im medialen Temporallappen

Rechter und linker Hippocampus liegen jeweils im medialen Temporallappen. In seiner Längsausdehnung unterscheidet man Kopf, Körper und Schwanz. Der Kopf befindet sich weiter vorne, in Nachbarschaft zur Amygdala. Nach hinten zieht der Körper entlang des Unterhorns des Seitenventrikels; der Schwanz biegt in Richtung der hinteren medialen Hemisphäre auf. Diese Form verläuft räumlich gekrümmt. Ein Koronarschnitt durch den Kopf sieht deshalb anders aus als einer durch den Körper. [40][70]

Der Hippocampus bildet einen Teil des Bodens des Unterhorns. Auf seiner zum Ventrikel gerichteten Oberfläche sammelt sich eine dünne weiße Faserschicht, der Alveus. Seine Fasern bündeln sich am medialen Rand zur Fimbria und stehen mit dem Fornix in Verbindung. Unterhalb beziehungsweise medial schließen subiculäre und parahippocampale Rindenregionen an. Ein Bild mit einer blauen Liquorfläche oberhalb der Oberfläche zeigt den benachbarten Ventrikelraum; das Hippocampusgewebe selbst ist eine gefaltete Rindenstruktur. [16][70]

Hippocampus und Hippocampusformation

Im engeren anatomischen Sinn bezeichnet Hippocampus vor allem die als Cornu ammonis zusammengefassten Felder. Die Hippocampusformation umfasst zusätzlich den Gyrus dentatus und den subiculären Übergangsbereich; je nach fachlicher Definition werden angrenzende Teile unterschiedlich weit einbezogen. Die Felder des Cornu ammonis heißen CA1, CA2 und CA3, historisch findet sich auch die Bezeichnung CA4 für Zellen im hilären Bereich. Eine Definition sollte deshalb ausdrücklich sagen, welche Teile sie umfasst. [9][16]

Der Gyrus dentatus bildet eine eng gebogene Struktur mit einer besonders dichten Körnerzellschicht. In seiner Krümmung liegt der Hilus, eine anders aufgebaute Zellregion. Daneben zieht sich das Band der CA-Pyramidenzellen vom CA3-Bereich über CA2 zu CA1. An CA1 schließt das Subiculum als Übergangsgebiet zu benachbarter Rinde an. Im Schnitt entsteht so eine ineinander geschobene, gebogene Anordnung, die sich von der sechsschichtigen Großhirnneokortexstruktur unterscheidet. [9][16]

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Unterschiedliche Zelltypen bauen die Schaltung

Die Projektionsneurone der CA-Felder sind überwiegend Pyramidenzellen mit großen Dendritenbäumen. Ihre Zellkörper liegen in einem auffälligen Band, während dendritische und axonale Fortsätze weitere Schichten einnehmen. Körnerzellen des Gyrus dentatus besitzen dagegen dicht gepackte kleine Zellkörper und eine andere Form ihrer Fortsätze. Zwischen diesen Hauptneuronen liegen verschiedene Interneurone, die über hemmende Einflüsse die zeitliche und räumliche Aktivität regulieren. Eine histologische Färbung macht Zellkörper und Faserlagen unterschiedlich deutlich sichtbar. [3][16]

Der hier vorhandene Rindentyp gehört zum Allocortex. Seine Hauptschichtung ist einfacher gegliedert als die des Neokortex, obwohl innerhalb der einzelnen Hauptschichten weitere Unterteilungen beschrieben werden können. Deshalb unterscheiden sich Listen je nach betrachteter Region und histologischer Fragestellung. Wichtig für die Leseführung ist zunächst, Zellkörperband, dendritische Gebiete und weiße Ausgänge auseinanderzuhalten. Im Alveus sammeln sich Axone an der zum Ventrikel gerichteten Oberfläche. [16][70]

Der entorhinale Zugang

Der entorhinale Kortex liegt im medialen Temporallappen und verbindet die Hippocampusformation mit ausgedehnten kortikalen Verarbeitungsnetzen. Über diese Schnittstelle gelangen bereits zusammengeführte Informationen über Orte, Objekte und weitere Erfahrungsanteile in hippocampale Schaltungen. Der sogenannte Perforant-Path-Weg erreicht unter anderem den Gyrus dentatus. Zusätzliche entorhinale Projektionen führen direkter zu CA-Feldern und subiculären Gebieten. Die Eingänge verteilen sich somit auf mehrere parallel arbeitende Verbindungen. [3][9]

Eine Erfahrung wie das Treffen einer Person in einem bestimmten Café enthält verschiedene Merkmale: Gesicht, Ort, Gespräch, zeitlicher Kontext und eigene Absicht. Diese Anteile werden in verteilten Netzen verarbeitet. Die hippocampale Einbindung unterstützt, Beziehungen zwischen solchen Merkmalen zu erfassen und später wieder zugänglich zu machen. Der Ausdruck relationales Gedächtnis beschreibt diesen Zusammenhang besonders gut, weil er über das isolierte Wiedererkennen eines einzelnen Reizes hinausgeht. [71][72]

Der trisynaptische Hauptweg

Ein verbreitetes Grundschema beginnt mit entorhinalen Eingängen auf Körnerzellen im Gyrus dentatus. Deren Axone heißen Moosfasern und erreichen vor allem CA3-Pyramidenzellen. Von CA3 führen Schaffer-Kollateralen weiter zu CA1. CA1 besitzt unter anderem Ausgänge zum Subiculum und zu entorhinalen Gebieten. Der Ausdruck trisynaptischer Weg bezieht sich auf die drei zentralen Umschaltungen entorhinaler Eingang–Körnerzelle, Körnerzelle–CA3 und CA3–CA1. [3][9]

Zum tatsächlichen Netzwerk gehören außerdem wiederkehrende CA3-Verbindungen, direkte entorhinale Wege, hemmende Interneurone und weitere Teilfelder wie CA2. Das Grundschema ist zum Lernen der Reihenfolge geeignet, während diese zusätzlichen Wege das zeitliche und inhaltliche Zusammenspiel erweitern. Die Moosfasern dieser hippocampalen Schaltung sind die Axone von Körnerzellen des Gyrus dentatus. Gleichnamige Moosfasern im Kleinhirn gehören zu einem anderen anatomischen System. [3][9]

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Ausgänge über Subiculum und Fornix

CA1 und Subiculum geben verarbeitete Aktivität an entorhinale und weitere kortikal verbundene Gebiete weiter. Andere Fasern sammeln sich über Alveus und Fimbria im Fornix. Der Fornix verläuft bogenförmig unter dem Corpus callosum (Balken). Seine Fasergruppen besitzen unter anderem Verbindungen zu septalen Gebieten und zu Mamillarkörpern. An der vorderen Kommissur lassen sich präkommissurale und postkommissurale Wege unterscheiden. Die Namen beschreiben somit den Verlauf bestimmter Faseranteile in einer räumlichen Nachbarschaft. [70][73]

Die klassische Papez-Schleife ordnet hippocampale, mamilläre, anteriore thalamische und cinguläre Verbindungen zu einem größeren Zusammenhang. Sie hat den Blick auf Gedächtnis als verteilte Netzwerkleistung geprägt. Gegenwärtig werden wesentlich mehr parallele und wechselseitige Verbindungen berücksichtigt. So erklärt sich, weshalb Gedächtnisstörungen auch bei Veränderungen im medialen Zwischenhirn oder an wichtigen Verbindungsbahnen auftreten können. Für die anatomische Zuordnung müssen die beteiligten Knoten und ihre Unterbrechungen jeweils verfolgt werden. [71][76]

Neue Erinnerungen und verschiedene Gedächtnisformen

Deklaratives Gedächtnis umfasst bewusst zugängliche Erinnerungen an Ereignisse und Fakten. Episodische Erinnerungen enthalten konkrete zeitlich-räumliche Bezüge; semantisches Wissen umfasst allgemein verfügbare Bedeutungen und Tatsachen. Der Hippocampus und benachbarte mediale Temporallappengebiete tragen wesentlich zum Aufbau neuer deklarativer Erinnerungen bei. Arbeitsgedächtnis, Gewohnheiten und motorisches Fertigkeitslernen besitzen teilweise andere anatomische Grundlagen und können bei bestimmten medialen Temporallappenschäden anders betroffen sein. [71][72]

Der Begriff Konsolidierung umfasst Prozesse, durch die Erinnerungen über die Zeit stabilisiert und in größere Netzwerke eingebunden werden. Zelluläre synaptische Veränderungen und die Neuordnung zwischen Hirngebieten betreffen dabei unterschiedliche Ebenen. Wissenschaftliche Modelle unterscheiden sich darin, wie lange detailreiche episodische Erinnerungen hippocampale Beteiligung benötigen. Sicher ist die grundsätzliche Beteiligung verteilter Rindensysteme: Wortbedeutungen, Gesichtsmerkmale und räumlicher Kontext werden über miteinander verbundene Hirngebiete verknüpft. [71][74]

Was der Fall H.M. tatsächlich zeigte

Henry Molaison (Patient H.M.) entwickelte nach einem beidseitigen Eingriff im medialen Temporallappen eine ausgeprägte Störung beim Aufbau neuer deklarativer Erinnerungen. Bestimmte Fertigkeiten konnte er weiterhin lernen, obwohl er sich an die Übungssituationen später nicht bewusst erinnerte. Der Fall wurde für die Unterscheidung verschiedener Gedächtnissysteme besonders wichtig. Die Operation betraf neben Anteilen des Hippocampus auch benachbarte Strukturen des medialen Temporallappens. [40][71]

Die spätere histologische Untersuchung seines Gehirns rekonstruierte den tatsächlichen Läsionsumfang und zeigte erhaltenes posteriores Hippocampusgewebe sowie weitere Veränderungen. Damit lässt sich der Fall genauer beschreiben als durch die vereinfachte Vorstellung einer vollständigen Entfernung beider Hippocampi. Anatomische Details sind für die Interpretation von Einzelfällen wesentlich: Erhaltenes Gewebe, unterbrochene Eingänge und gleichzeitig betroffene Nachbarregionen beeinflussen gemeinsam, welche Funktion nach einem Eingriff noch möglich ist. [40]

Räumliche Information beim Menschen

Ein Teil hippocampaler Neurone (Nervenzellen) zeigt Aktivitätsbeziehungen zu Orten und räumlichem Kontext. Direkte Ableitungen beim Menschen wurden unter anderem bei Epilepsiepatienten durchgeführt, die sich für klinische Fragestellungen einer invasiven Überwachung unterzogen. In einer frühen Studie navigierten sieben Personen durch eine virtuelle Stadt; aus insgesamt 317 abgeleiteten Neuronen wurden orts-, ansichts- und zielabhängige Aktivitätsmuster untersucht. Hippocampale und benachbarte Regionen zeigten dabei unterschiedliche Schwerpunkte. [41]

Der Befund verbindet menschliche räumliche Verarbeitung mit der zellulären Ebene, während die konkrete Aufgabe und klinische Stichprobe die Interpretation begrenzen. Navigation umfasst zusätzlich Wahrnehmung von Landmarken, Bewegung, Planung und Zielwahl. Das räumliche Netzwerk steht damit in enger Beziehung zu den Kontextbezügen episodischer Erinnerung. Für die Anatomie ergibt sich eine hilfreiche Gemeinsamkeit: Der Hippocampus verarbeitet Beziehungen innerhalb einer Erfahrung, zu denen räumliche Orte als besonders gut untersuchter Anteil gehören. [41][72]

Synaptische Plastizität und LTP

Langzeitpotenzierung, LTP, bezeichnet eine länger anhaltende Verstärkung der Wirksamkeit synaptischer Übertragung nach bestimmten Aktivitätsmustern. Frühe hippocampale Experimente untersuchten solche Veränderungen am Perforant-Path-Eingang zur dentaten Region von Kaninchen. Heute werden zahlreiche Formen der Verstärkung und Abschwächung unterschieden. Gemessen wird beispielsweise, wie stark eine nachgeschaltete Zellpopulation auf einen vergleichbaren Eingang reagiert. Die Veränderung betrifft damit die Beziehung zwischen Eingang und Antwort. [42][75]

An gut untersuchten CA1-Synapsen können NMDA-Rezeptoren, intrazelluläres Calcium und Veränderungen an AMPA-Rezeptoren zur Plastizität beitragen. Andere Formen arbeiten mit abweichenden Mechanismen. Solche Experimente liefern Modelle dafür, wie neuronale Netze Erfahrungen in veränderte Verbindungswirkungen übersetzen. Eine persönliche Erinnerung umfasst darüber hinaus die Aktivitätsmuster vieler Zellpopulationen und deren Wechselwirkung mit anderen Regionen. Synaptische Plastizität bildet daher eine zentrale physiologische Ebene innerhalb eines größeren Gedächtnisnetzwerks. [72][75]

Untersuchung und anatomische Zuordnung

Gedächtnisuntersuchungen unterscheiden unter anderem unmittelbares Behalten, Lernen über Wiederholungen, verzögerten Abruf und Wiedererkennen. Die Aufgaben werden mit Aufmerksamkeit, Sprache, Wahrnehmung und weiteren Leistungen in Beziehung gesetzt. Bildgebung kann Größe, Form und Signalveränderungen der medialen Temporallappen darstellen. Im Schnitt sind Kopf, Körper, Schwanz, Subiculum und Ventrikelnachbarschaft jeweils zu beachten. Die gefaltete Gestalt macht eine saubere Ebenenwahl besonders wichtig, damit unterschiedliche Anschnitte vergleichbar bleiben. [9][40][72]

Zellgebiete und Faserwege in der Reihenfolge

Wichtige Begriffe

Gyrus dentatus (gezahnte Windung)

Gebogener Teil der Hippocampusformation mit dichtem Körnerzellband. [3][16]

Schaffer-Kollateralen

Axonverbindungen von CA3-Pyramidenzellen zu CA1. [3][9]

Alveus

Weiße Faserlage an der zum Ventrikel gerichteten Oberfläche. [70]

LTP

Langzeitpotenzierung; länger anhaltende Verstärkung der synaptischen Übertragungswirksamkeit nach bestimmten Aktivitätsmustern. [42][75]

Im Gesundheitswissen weiterlesen

• Das Gehirn: Räume, Strukturen und verbundene Netzwerke
• Synaptische Übertragung: vom Impuls zur Antwort der nächsten Zelle
• Nervenzellen: Aufbau, Signale und Verbindungen
• Hirnhäute und Liquor: Schichten, Kammern und Austauschwege

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Thalamus: Kerngebiete zwischen Sinnesbahnen und Großhirnrinde
• Gedächtniskonsolidierung: von der Synapse zum Netzwerk